JP2015115382A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力用半導体素子を含む回路部材を樹脂で封止した半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device in which a circuit member including a power semiconductor element is sealed with a resin.
電力用半導体素子を用いた半導体装置は、半導体素子をエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂で封止したモールド型と、ゲル状樹脂で封止したゲル封止型が使用されている。特にモールド型の半導体装置は小型で信頼性に優れており、取り扱いが容易であることから、空調機器の制御などに広く用いられている。また、近年は、モーター制御を行う自動車の動力制御などにも使用されている。 2. Description of the Related Art A semiconductor device using a power semiconductor element uses a mold type in which a semiconductor element is sealed with a thermosetting resin such as an epoxy resin, and a gel sealing type in which a semiconductor element is sealed with a gel-like resin. In particular, mold-type semiconductor devices are small and excellent in reliability, and are easy to handle, and thus are widely used for control of air-conditioning equipment. In recent years, it is also used for power control of automobiles that perform motor control.
一方、半導体装置では、小型化・大容量化を目的として放熱性を向上させるために熱伝導性に優れた金属やセラミックスを基板として用い、半導体素子で発熱した熱を拡散する手法を取り入れている。例えば、高熱伝導なセラミックスの絶縁基板をはんだで接合した構造や(例えば、特許文献1参照。)、銅製のヒートスプレッダ上に半導体素子がはんだ等により接合されているモールド型半導体装置がある(例えば、特許文献2参照。)。 On the other hand, semiconductor devices use metal or ceramics with excellent thermal conductivity as a substrate to improve heat dissipation for the purpose of miniaturization and large capacity, and adopt a method of diffusing heat generated by semiconductor elements. . For example, there is a structure in which an insulating substrate made of high thermal conductivity ceramic is joined by solder (for example, see Patent Document 1), or a mold type semiconductor device in which a semiconductor element is joined by solder or the like on a copper heat spreader (for example, (See Patent Document 2).
しかしながら、このような半導体装置あっては、放熱性を向上させるために、より大きく厚い基板を用いる必要がある。基板の面積が大きくなるほど、封止樹脂と基板の線膨張係数の差によって発生する熱応力の影響が大きくなる。 However, in such a semiconductor device, it is necessary to use a larger and thicker substrate in order to improve heat dissipation. As the area of the substrate increases, the influence of thermal stress generated by the difference in the linear expansion coefficient between the sealing resin and the substrate increases.
一方、従来のシリコン(Si)製半導体素子に比べて、低損失、高耐圧、高温動作が可能な化合物半導体素子として、例えば炭化ケイ素(SiC)製半導体素子の半導体装置への適用が進められている。SiC製半導体素子は、Si製半導体素子と比較して弾性率が高いことや、これまで以上のより厳しい温度環境下で動作することが想定されており、半導体素子にかかる応力が増大する傾向にある。モールド型の半導体装置においては、半導体素子と封止体との界面にかかる応力はこれまで以上に高くなり、その結果、半導体素子と封止体との界面で剥離が生じたり、半導体素子端部付近の封止体にクラックが生じたりすることがあり、半導体装置の絶縁信頼性低下を招くことがあった。 On the other hand, as a compound semiconductor element capable of operating at a low loss, high withstand voltage, and high temperature as compared with a conventional silicon (Si) semiconductor element, application of, for example, a silicon carbide (SiC) semiconductor element to a semiconductor device has been promoted. Yes. SiC semiconductor elements are expected to have higher elastic modulus than Si semiconductor elements and operate under more severe temperature environments than ever, and the stress on the semiconductor elements tends to increase. is there. In a mold type semiconductor device, the stress applied to the interface between the semiconductor element and the sealing body is higher than ever, and as a result, peeling occurs at the interface between the semiconductor element and the sealing body, In some cases, cracks may occur in the nearby sealing body, leading to a decrease in insulation reliability of the semiconductor device.
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高温に対応する信頼性の高い半導体装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to obtain a highly reliable semiconductor device corresponding to a high temperature.
本発明にかかる半導体装置は、回路基板と、主面に電極が形成され、前記回路基板の回路面に裏面が接合された半導体素子と、前記電極に接合された配線部材と、前記半導体素子を取り囲むように、前記回路面を覆う被覆体と、前記配線部材の前記電極に接合された部分と前記半導体素子および前記被覆体を包むように封止する封止体と、を備え、前記被覆体は、前記封止体よりも弾性率が低い材料で形成され、かつ、前記回路面の延在方向において、前記半導体素子から間隔をあけるとともに、前記回路面からの高さ方向において、前記半導体素子の主面の高さ以上で、前記封止体の表面に達しない高さになるように形成されていることを特徴とする。 A semiconductor device according to the present invention includes a circuit board, a semiconductor element having an electrode formed on a main surface, and a back surface bonded to the circuit surface of the circuit board, a wiring member bonded to the electrode, and the semiconductor element. A covering that covers the circuit surface, a portion that is joined to the electrode of the wiring member, and a sealing body that seals the semiconductor element and the covering so as to surround the covering, And formed of a material having a lower elastic modulus than the sealing body, and spaced from the semiconductor element in the extending direction of the circuit surface, and in the height direction from the circuit surface, It is characterized by being formed so as to have a height not less than the height of the main surface and not reaching the surface of the sealing body.
この発明によれば、半導体素子を取り囲むように回路面に配置した被覆体によって、半導体素子と封止体との界面に発生する熱応力が低減され、半導体素子端部付近で発生する剥離やクラックが防止でき、絶縁信頼性の高い半導体装置を得ることができる。 According to the present invention, the covering disposed on the circuit surface so as to surround the semiconductor element reduces the thermal stress generated at the interface between the semiconductor element and the sealing body, and causes peeling or cracking that occurs near the edge of the semiconductor element. Thus, a semiconductor device with high insulation reliability can be obtained.
実施の形態1.
図1〜図4は、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置について説明するためのもので、図1は半導体装置の断面模式図である。図2は半導体装置から封止体や配線部材を除いた状態での半導体素子周辺部分の構成を説明するための図で、上段が部分平面図、下段が部分断面図である。図3は半導体装置を構成する被覆体の配置を説明するための部分断面図、図4は被覆体の配置を説明するための平面模式図である。また、図5(a)と(b)は、本発明の実施の形態1の変形例として、それぞれ複数の半導体素子が隣接して配置されたときの被覆体の配置を説明するための部分平面図である。なお、図2の上段と図5は断面図ではないが、便宜上、被覆体の設置領域をハッチングで示している。以下、詳細に説明する。
1 to 4 are diagrams for explaining a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device. FIG. 2 is a view for explaining the configuration of the peripheral portion of the semiconductor element in a state in which the sealing body and the wiring member are removed from the semiconductor device. FIG. 3 is a partial cross-sectional view for explaining the arrangement of the covering constituting the semiconductor device, and FIG. 4 is a schematic plan view for explaining the arrangement of the covering. FIGS. 5A and 5B are partial planes for explaining the arrangement of the cover when a plurality of semiconductor elements are arranged adjacent to each other as a modification of the first embodiment of the present invention. FIG. 2 and FIG. 5 are not cross-sectional views, but for convenience, the installation area of the covering is indicated by hatching. Details will be described below.
本発明の実施の形態1にかかる半導体装置100は、図1に示すように、熱伝導性に優れ、発熱を拡散することを目的とした金属製の伝熱板(ヒートスプレッダ6)の一方の面(回路面6f)に、電力を制御するための半導体素子5が、はんだや銀接合材のような接合材4等によって搭載(接合)されている。そして、半導体素子5の主面5aに形成された電極には、ダイレクトリード接合によってリードフレーム3が接合され、配線されている。また、半導体素子5の裏面電極と接合されたヒートスプレッダ6の回路面6fにもリードフレーム3が接合され、半導体素子5の主電力用の両極が外部に対して接続可能な状態になっている。なお、ヒートスプレッダ6は、半導体素子5の発熱に対して熱抵抗を低減することを目的としており、ヒートスプレッダ6を備える必要がない場合は、リードフレーム3のパターン上に半導体素子5が直接搭載されていてもよい。また、配線部材としては、上述したリードフレーム3に限ることなく、図示しないボンディングワイヤ等を用いてもよい。
As shown in FIG. 1, the
半導体素子5は、電力(パワー)を制御するための素子であり、パワー半導体素子あるいは電力用半導体素子とも称される。具体的には、例えば、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のスイッチング素子、あるいは還流ダイオードのような整流素子が用いられる。半導体素子5には、本実施の形態1および以降の実施の形態においては、炭化珪素(SiC)などのワイドバンドギャップ半導体を用いている。ワイドバンドギャップ半導体を構成する材料(半導体材料)としては、例えば、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドがある。ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、許容電流密度が高く、電力損失も低いため、半導体素子を用いた装置の小型化が可能となる。また、ワイドバンドギャップ半導体のみでなく、Si半導体が混載されていてもよい。
The
ヒートスプレッダ6のリードフレーム3や半導体素子5が搭載されている回路面6fの反対側の面には、絶縁層7と金属箔8が設けられている。絶縁層7には絶縁シートを用いることができる。絶縁シートは、エポキシ樹脂に熱伝導性に優れるシリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等の無機粉末が少なくとも1種以上充填されており、これらの無機粉末は単独でも複数の組合せでもよい。また金属箔8は後述する封止体1に封止されることなく、外部に露出しており、放熱性を確保するだけでなく、絶縁層7が外部からの接触により傷がつかないための保護層としての役目も果たしている。この目的を満たすものであれば、銅やアルミなどの金属箔でも、厚めの銅板でも構わない。
An
そして、リードフレーム3の一部、および少なくとも半導体素子5の主面5aを含む回路面6f側の部材(回路部材)を包むように、金属箔8の側部から回路部材全体を封止するようにトランスファモールドにより封止体1が形成されている。これにより、一般的にモジュールと呼ばれる半導体装置が完成する。
Then, the entire circuit member is sealed from the side portion of the
封止体1は、エポキシ樹脂に熱膨張係数の小さい溶融シリカ等の無機粉末や熱伝導性が優れるアルミナなどが充填されている。エポキシ樹脂は、パワー半導体装置の放熱性や動作時の発熱量、動作温度にもよるが、一般的なオルトクレゾールノボラック型やジシクロペンタジエン型など特に限定されることはない。例えばSiCなどを用いた半導体素子5の動作温度の高温化により、ナフタレン型や多官能型を用いた、より耐熱性の高い樹脂を用いることもできる。
In the sealing
また、温度サイクルなどの信頼性試験で発生する熱応力を想定した場合、熱膨張係数の違いにより、温度差が生じた場合には接触面でのひずみの違いが生じ、応力が発生する。ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、Si半導体に比べて弾性率が高くなることや、より厳しい環境下での動作を想定するため、封止体1の熱膨張係数は、ワイドバンドギャップ半導体の線膨張係数になるべく近い方が望ましい。本実施の形態の場合、後述する被覆体2を設けることで、封止体1と半導体素子5との界面での熱応力が緩和されているため、従来よりも大きな線膨張係数の樹脂を適用することができる。そのため、封止体1はヒートスプレッダ6と半導体素子5の熱膨張係数の間の範囲の樹脂を適用することが望ましい。
In addition, assuming a thermal stress generated in a reliability test such as a temperature cycle, if a temperature difference occurs due to a difference in thermal expansion coefficient, a difference in strain occurs on the contact surface, and stress is generated. When a wide bandgap semiconductor is used, the thermal expansion coefficient of the
そして、本実施の形態1にかかる半導体装置100の特徴として、半導体素子5を取り囲むように、回路面6fを覆う被覆体2を配置している。被覆体2は、図2に示すように、半導体素子5、および半導体素子5をヒートスプレッダ6に接合するための接合材4に対して接しておらず、ヒートスプレッダ6の端部までを覆うように配置されている。なお、ヒートスプレッダ6上に電極またはワイヤがある場合、これらを避けて被覆体2を配置しても良い。
As a feature of the
被覆体2に使用される材料は、封止体1を構成する材料よりも弾性率が低い材料であって、例えば、エポキシ樹脂、シリコーンゲル、シリコーンゴム、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイドが挙げられる。これらの材料の中にシリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等の無機粉末の充填材が含まれていても良い。
The material used for the
そして、図3および図4に示すように、半導体素子5と被覆体2とは、回路面6fに平行な方向において、半導体素子5の側面5sから一定範囲の間隔Dをあけるとともに、一定範囲の厚みt2を有するように設定している。間隔Dは、半導体素子5の側面5sと被覆体2の半導体素子5を囲む開口の内側面2sとの間隔であり、半導体素子5および接合材4に接することがないよう、0よりも大きく、かつ、半導体素子5の一辺の長さをLとした場合、0.2L以内に設定している。つまり、図4に示すように、内側面2sが側面5sおよび接合材4から離れる最低限の距離のラインPiから、側面5sから0.2L分離れたラインPxで囲まれる範囲に入るように設定している。一方、外側については、ヒートスプレッダ6の端部までを覆うように設定している。なお、間隔Dの範囲を式で表現すると、「0<D≦0.2L」となり、これは、封止体1のうち、半導体素子5の側面5sに接する部分の厚みが0よりも大きく、かつ、0.2L以下になることを示している。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
例えば、D>0.2Lになるように、半導体素子5に対して間隔を過剰にあけ、内側面2sがPxより外側になるように被覆体2を配置した場合、半導体素子5の角部(例えば、主面5aと側面5sとの角)にかかる熱応力を十分に緩和することができないことがある。また、内側面2sがPiよりも内側になるように被覆体2を配置し、被覆体2が半導体素子5あるいは接合材4に接していたり、覆っていたりすると、封止体1による半導体素子5や接合材4を強固に固めて拘束する効果が弱まり、半導体素子5と回路面6f間の接合の信頼性の低下に繋がる。
For example, when the
この設定は、図5に示すように、複数の半導体素子5が近距離で配置されている場合にも同様である。つまり、半導体素子5の側面5sどうしの間隔が0.2Lよりも大きな場合は、間隔Dが0.2L以下になるように、開口を分割する。一方、半導体素子5の側面5sどうしの間隔が、0.2L以下の場合、被覆体2がいずれかの半導体素子5あるいは接合材4に接することがないのであれば、分割してもよい。しかし、開口を分割すると工程が増加する場合が多く、基本的には、一つの開口内に配置する。
This setting is the same when a plurality of
被覆体2の厚みt2は、半導体素子5の厚さよりも厚く、ヒートスプレッダ6の回路面6fから封止体1の表面1fまでの距離、つまり封止体1が回路面6fを直接覆っていた場合の本来の厚みt1の3/4以下になるように設定している。なお、t2の下限値は、厳密には、接合材4を含めた実装高さ、つまり、ヒートスプレッダ6の回路面6fから半導体素子5の主面5aまでの高さである。厚み2の下限値は、被覆体2の回路面6fからの高さが、半導体素子5の主面の高さよりも低くなり、被覆体2が反りを吸収しきれず、十分に応力緩和の効果を発揮しないことのないよう設定したものである。一方、上限値については、厚さt2が封止体1の本来の厚みt1の3/4を超えると、その部分の封止体1の厚みが薄く(本来の厚みt1の1/4未満)なることで、モジュールの強度が低下し、封止体1に割れが発生することを防止するために設定したものである。
The thickness t2 of the
これにより、封止体1よりも弾性が低い被覆体2が、モジュール全体の反りを吸収し、封止体1と半導体素子5の界面に発生する熱応力を低減させ、封止体1の剥離やクラックの発生を防止することができる。また、被覆体2は半導体素子5と接合材4に接していないことから、半導体素子5に接合されたはんだやアルミワイヤなどの接合材4は、封止体1により強固に封止されており、温度サイクル試験やパワーサイクル試験における信頼性を高く保つことができる。
Thereby, the covering
つぎに、本実施の形態1にかかる半導体装置100の効果を検証するため、被覆体2の物性や間隔D、厚さt2等をパラメータとして温度サイクル試験による信頼性試験を行った。
Next, in order to verify the effect of the
温度サイクル試験は、半導体装置100を温度制御可能な恒温槽に入れ、恒温槽内の温度を−60℃と180℃との間を繰り返し往復させて実施させた。信頼性の判定基準は、温度サイクル試験が1000サイクル経過後に剥離無きこととした。剥離有無の判断は、超音波映像装置(日立エンジニアリング・アンド・サービス製FineSAT)で観察して実施した。以下、試験に用いた本実施の形態1にかかる半導体装置100の試験サンプル(実施例)、および比較対象の半導体装置の試験サンプル(比較例)の構成、および試験結果について説明する。
The temperature cycle test was carried out by putting the
<共通条件>
各試験サンプルには、半導体素子5を回路面6fに接合し、他方の面に絶縁層7と金属箔8を設けたヒートスプレッダ6にリードフレーム3を接合し、全体を封止体1で封止したモールド型半導体装置を用いた。半導体素子5は、10mm×10mm×0.3mmのSiC製半導体素子とし、ヒートスプレッダ6は20mm×40mm×3.0mmとした。ヒートスプレッダ6とリードフレーム3や金属箔8は放熱性を考えて銅とした。ヒートスプレッダ6上にはMOSFETとSBD(Schottky Barrier Diode:ショットキーバリアダイオード)の2種の半導体素子5を搭載した。絶縁層7にはエポキシ製の絶縁シートを用いた。
<Common conditions>
In each test sample, the
封止体1は、ガラス転移点(Tg)が約190℃のエポキシ樹脂にシリカを82重量%充填し、熱膨張係数αが12ppm/K、弾性率Eが12GPaとなるものを用いた。そして、各試験サンプルの作製方法は、ヒートスプレッダ6上に半導体素子5を接合後、被覆体2を設置し、リードフレーム3と絶縁層7と金属箔8と合わせてトランスファモールド成型による樹脂封止を行った。
As the sealing
成型は、約180℃で120秒間行い、金型取り出し後にオーブンにて180℃4時間のポストモールドキュア(PMC)を実施した。PMC後に、温度サイクル試験として、冷熱衝撃試験機(ESPEC製TSD−100)を用いて−60℃と180℃との間を繰り返し往復させて実施し、1000サイクル後の剥離有無判断を超音波映像装置にて行った。成形性の判断基準は、成形後のモジュールの外観および内部にクラックが無いことを判断基準とした。なお、成形性の時点で不合格(×)と評価した場合は、信頼性試験は実施していない。 Molding was performed at about 180 ° C. for 120 seconds, and after mold removal, post mold curing (PMC) at 180 ° C. for 4 hours was performed in an oven. After PMC, as a temperature cycle test, a thermal shock tester (TSP-100 manufactured by ESPEC) was used to repeatedly reciprocate between −60 ° C. and 180 ° C. Performed in the apparatus. The criteria for determining moldability were determined based on the appearance and the absence of cracks inside the module after molding. In addition, the reliability test is not implemented when it evaluates as a disqualification (x) at the time of a moldability.
<実施例1>
被覆体2を構成する主材料として、Tgが約170℃のエポキシ樹脂を使用した。被覆体2にはシリカの充填材の含量が5%のものを使用し、熱膨張係数αが50ppm/Kで、弾性率Eが2GPaのものを用いた。被覆体2は、粉末状のものを予め任意の形状に圧縮成型し、半導体素子5とその接合材4に接することの無いようD=0.2mmとして、t2=0.8mmでヒートスプレッダ6上に均一に設置して形成した。本実施例1の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、温度サイクル性、成形性を満足しており、信頼性の高い半導体装置100が得られた。
<Example 1>
An epoxy resin having a Tg of about 170 ° C. was used as a main material constituting the
<実施例2>
本実施例2では、実施例1に対してシリカの充填材の添加量を調整し、被覆体2の物性を変化させた以外は、同様に実施した。被覆体2の物性は線膨張係数αが13ppm/K、弾性率Eが10GPaであった。本実施例2の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、温度サイクル性、成形性を満足しており、信頼性の高い半導体装置100が得られた。
<Example 2>
Example 2 was carried out in the same manner as Example 1 except that the amount of silica filler added was adjusted and the physical properties of the
<実施例3>
本実施例3では、実施例1に対して、被覆体2としてシリコーンゲルを用いた以外は同様に実施した。被覆体2の物性は線膨張係数αが600ppm/K、弾性率Eが3.0×10−6GPaであった。シリコーンゲルは、ディスペンサを用いて任意の形状に塗布し、120℃で10分間ポストキュアを行った後、トランスファモールドによる樹脂封止を行った。本実施例3の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、温度サイクル性、成形性を満足しており、信頼性の高い半導体装置100が得られた。
<Example 3>
In this Example 3, it implemented similarly to Example 1 except having used the silicone gel as the
<実施例4>
本実施例4では、実施例1に対して半導体素子5と被覆体2との間隔Dを変えた以外は同様に実施した。半導体素子5と被覆体2との間隔D=2.0mmとした。本実施例4の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、温度サイクル性、成形性を満足しており、信頼性の高い半導体装置100が得られた。
<Example 4>
In the present Example 4, it implemented similarly except having changed the space | interval D of the
<実施例5>
本実施例5では、実施例1に対して被覆体2の厚さt2を変えた以外は同様に実施した。被覆体2の厚さt2=0.4mmとした。本実施例5の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、温度サイクル性、成形性を満足しており、信頼性の高い半導体装置100が得られた。
<Example 5>
In this Example 5, it implemented similarly except having changed thickness t2 of the
<実施例6>
本実施例6では、実施例1に対して被覆体2厚さt2を変えた以外は同様に実施した。被覆体2の厚さt2=3.0mmとした。本実施例6の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、温度サイクル性、成形性を満足しており、信頼性の高い半導体装置100が得られた。
<Example 6>
In the present Example 6, it implemented similarly except having changed the
<比較例1>
本比較例1では、実施例1に対して被覆体2を用いずに試験サンプルを作成した。本比較例1の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、成形性は満足していたが、温度サイクル試験において半導体素子5と封止体1との界面で剥離およびクラックが生じたため、温度サイクル性の判定は×であった。
<Comparative Example 1>
In this comparative example 1, a test sample was prepared without using the
<比較例2>
本比較例2では、実施例1に対してシリカの充填材の添加量を調整し、被覆体2の物性を変化させた以外は同様に実施した。被覆体2の物性は線膨張係数αが10ppm/K、弾性率Eが12GPaであった。本比較例2の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、成形性は満足していたが、温度サイクル試験において半導体素子5にかかる応力緩和の効果が小さく、半導体素子5と封止体1との界面で剥離およびクラックが生じたため、温度サイクル性の判定は×であった。
<Comparative Example 2>
In this comparative example 2, it carried out similarly to the example 1 except having adjusted the addition amount of the silica filler and changing the physical property of the
<比較例3>
本比較例2では、実施例1に対して、被覆体2としてポリプロピレンを用いた以外は同様に実施した。被覆体2の物性は線膨張係数αが100ppm/K、弾性率Eが1.5×10−3GPaであった。ポリプロピレンを圧縮成型により任意の形状に成型した後、ヒートスプレッダ6上に設置し、リードフレーム3や絶縁層7と金属箔8と合わせてトランスファモールドによる樹脂封止を行った。本比較例3の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、成型直後に封止体1にクラックが生じた。ポリプロピレンは融点が約130℃であり、液状から固体状に相変化する際の急激な体積変化が原因でクラックが生じたと考えられる。ゆえに、成形性の判定は×であった。
<Comparative Example 3>
In this comparative example 2, it implemented similarly to Example 1 except having used the polypropylene as the
<比較例4>
本比較例では、実施例1に対して半導体素子5と被覆体2との間隔Dを変えた以外は同様に実施した。被覆体2が、半導体素子5とヒートスプレッダ6を接合する接合材4の一部が覆われるようにした。つまり、内側面2sが図4におけるラインPiより内側になるようにした。本比較例4の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、成形性は満足していたが、温度サイクル試験において半導体素子5とヒートスプレッダ6を接合する接合材4にクラックが生じたため、温度サイクル性の判定は×であった。
<Comparative Example 4>
In this comparative example, it implemented similarly except having changed the space | interval D of the
<比較例5>
本比較例では、実施例1に対して半導体素子5と被覆体との間隔Dを変えた以外は同様に実施した。半導体素子5と被覆体2との間隔D=2.5mmとした。つまり、間隔Dが0.2Lを超え、図4におけるラインPxより外側になるようにした。本比較例4の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、成形性は満足していたが、温度サイクル試験において半導体素子5にかかる応力緩和の効果が小さく、半導体素子5と封止体1との界面に剥離が生じたため、温度サイクル性の判定は×であった。
<Comparative Example 5>
In this comparative example, it implemented similarly except having changed the space | interval D of the
<比較例6>
本比較例6では、実施例1に対して被覆体2の厚さt2を変えた以外は同様に実施した。被覆体2の厚さt2=0.3mmとした。つまり、接合材4の厚さを加味すると、被覆体2の高さが主面5aよりも低くなるようにした。本比較例6の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、成形性は満足していたが、温度サイクル試験において半導体素子5と封止体1との界面で剥離およびクラックが生じたため、温度サイクル性の判定は×であった。
<Comparative Example 6>
In this comparative example 6, it implemented similarly except having changed thickness t2 of the
<比較例7>
本比較例7では、実施例1に対して被覆体2の厚さt2を変えた以外は同様に実施した。被覆体2の厚さt2=3.5mmとした。なお、3.5mmは、回路面6fから封止体1の表面1fまでの距離、つまり封止体1の本来の厚みt1の3/4よりも大きな値である。本比較例7の試験サンプルに対して各判定を行ったところ、成形性の判定は×であった。これは、被覆体2の高さが、封止体1の本来の厚みt1の3/4を越え、被覆体2上部分の封止体1の厚みが薄くなったため、樹脂強度が低下してクラックに繋がったと考えられる。
<Comparative Example 7>
In this comparative example 7, it implemented similarly except having changed thickness t2 of the
上記試験結果のうち、実施例1〜実施例6の成形性と信頼性の結果を表1に、比較例1〜比較例7の成形性と信頼性の結果を表2に示す。 Among the test results, the moldability and reliability results of Examples 1 to 6 are shown in Table 1, and the moldability and reliability results of Comparative Examples 1 to 7 are shown in Table 2.
上記実施例1から実施例6では、半導体素子5と封止体1との界面に発生する熱応力が低減され、半導体素子5の端部付近での剥離やクラックの発生が防止でき、絶縁信頼性の高い半導体装置100が得られた。また、応力低減構造となっていることから、封止体1に求められる弾性率Eや線膨張係数α、樹脂強度などの要求特性値の許容幅が広がったことが示唆された。本発明の実施の形態1にかかる半導体装置100では、封止体1より弾性率の低い被覆体2が半導体素子5およびその接合材4に接しないように囲んでいる。これにより、半導体素子5に接合されたはんだやアルミワイヤなどの接合材4は、封止体1により強固に封止されることになり、温度サイクル試験やパワーサイクル試験における応力低減と接合材の信頼性を両立することができるとわかった。
In the first to sixth embodiments, the thermal stress generated at the interface between the
なお、上記信頼性試験は、封止体1には、表3に示すように、同じ物性値(弾性率E=12(単位:GPa)、線膨張係数α=12(単位:ppm/K))のものを使用して行った。しかし、封止体1と被覆体2との弾性率の大小関係、および被覆体2の厚さt2と半導体素子5との間隔Dの基準を満たせば、封止体1の物性が異なっていても同様の効果を得ることができることを別途確かめている。例えば、封止体1の弾性率Eが12GPaより高い場合や低い場合についてである。
In the reliability test, the sealed
そこで、なぜ、上記の条件を満たせば、応力低減と接合材の信頼性を両立することができるかについて以下のように検討した。
封止体1の材料であるトランスファモールド用の封止樹脂は、充填剤の量を変えることで、Eとαを変化させることが可能である。ただし、Eとαはトレードオフの関係になっており、E×αの値が一定になるように変化することが経験的にわかっている。そのため、弾性率Eを下げると線膨張係数αが上昇することになり、例えば、E=12GPa、α=12ppm/Kの材料をE=10GPaになるように充填剤の量を変えると、α=14.4ppm/Kになる。
Therefore, why the stress reduction and the reliability of the bonding material can be achieved at the same time when the above conditions are satisfied was examined as follows.
The sealing resin for transfer mold, which is a material of the sealing
一方、半導体装置における信頼性は、半導体素子5と封止体1との界面での熱応力の影響が大きいと考えられる。熱応力σは、起動停止に伴う温度変化において、封止体1と半導体素子5との線膨張係数の差から発生するもので、式(1)で表すことができる。
On the other hand, it is considered that the reliability of the semiconductor device is greatly influenced by thermal stress at the interface between the
式(1)において、下付きのrが封止体1の、sが半導体素子5の物性を示す。半導体素子5がワイドバンドギャップ半導体であるSiCの場合、線膨張係数αsは3ppm/K程度と封止体1の線膨張係数αrよりも小さな値であるため、封止体1の線膨張係数αrと弾性率Erが小さいほど、熱応力σは小さくなると言える。しかし、封止体1は、リードフレーム3等の金属部材をも拘束しており、線膨張係数αrを半導体素子5の線膨張係数αsのみに合わせることはできない。そのため、封止体1の線膨張係数αrは、金属部材と半導体素子5の物性値の中間の狭い範囲でしか調整することができない。その結果、式(1)のカッコ内の部分において、半導体素子5の線膨張係数αsは無視できる程度となり、熱応力σは、封止体1のErとαrの積に比例する形になる。つまり、Eとαの積が一定となる経験則を考慮すると、充填剤の量を変化させるだけでは、熱応力に大きな変化がないことが考えられる。実際、現在開発されている封止樹脂では、Eとαの積を小さくすることが限界に近くなっており、表3に示した封止体1の物性値は、熱応力σが小さくなるための限界に近い値のものを使用していることになる。
In the formula (1), subscript r indicates the physical properties of the sealing
一方で、被覆体2は半導体素子5と接していないことから、線膨張係数αの影響が封止体1ほど大きくないことが応力解析で明らかになっている。そのため、被覆体2については、弾性率Eを小さくすることで線膨張係数αが大きくなったとしても、低弾性な(柔らかい)ために反りを吸収し、半導体素子5と封止体1との界面に生ずる熱応力を低減することが可能となる。さらに、被覆体2は、トランスファモールドによって成形されるものではないため、封止体1よりも耐熱性や電気特性など樹脂設計の幅が広く、反りを吸収する作用に特化して物性を調整することができる。
On the other hand, since the
これを単純な系で数値を用いて説明すると、封止体1の物性によるαとEの積は、E=12GPa、α=12ppm/Kの場合に144となり、充填量を調整して、E=10GPa、α=14.4ppm/Kの場合でも144になり、熱応力σは同様の値となる。一方、本実施の形態1のように、被覆体2を用い、被覆体2の物性を10GPaに設定すると、被覆体2の線膨張係数αは熱応力には大きく影響せず、封止体1より低弾性な被覆体2が、反りを吸収する効果が作用して応力が下がり、封止体1のみを使用した場合に比べて熱応力が小さくなる。
When this is explained using numerical values in a simple system, the product of α and E due to the physical properties of the sealing
つまり、上述した条件を満たすように被覆体2を回路面6f上に形成すれば、半導体素子5と封止体1との界面に発生する熱応力が低減され、半導体素子5の端部付近で発生する剥離やクラックが防止でき、絶縁信頼性の高い半導体装置100が得られる。また、本実施の形態1の半導体装置100を図示しないヒートシンクなどに取り付ける際、被覆体2が反りを吸収するため、半導体装置100全体の反りが低減され、取り付けが容易になるという効果が得られる。それに加えて、応力低減構造となっていることから、封止体1に求められる弾性率Eや線膨張係数α、樹脂強度などの要求特性値の許容幅が広がり、半導体装置100の生産性向上、低コスト化につながる。また、本構造の特徴である被覆体2は半導体素子5およびその接合材4に接していないことから、半導体素子5に接合されたはんだやアルミワイヤなどの接合材4は、封止体1により強固に封止されており、温度サイクル試験やパワーサイクル試験における信頼性を高く保つことができる。
That is, if the
以上のように、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置100によれば、回路基板(ヒートスプレッダ6)と、主面5aに電極が形成され、回路基板(ヒートスプレッダ6)の回路面6fに裏面が接合された半導体素子5と、電極に接合された配線部材(リードフレーム3)と、半導体素子5を取り囲むように、回路面6fを覆う被覆体2と、配線部材(リードフレーム3)の主面5aの電極に接合された部分と半導体素子5および被覆体2を包むように封止する封止体1と、を備え、被覆体2は、封止体1よりも弾性率が低い材料で形成され、かつ、回路面6fの延在方向において、半導体素子5から間隔Dをあけるとともに、回路面6fからの高さ方向において、半導体素子5の主面5aの高さ以上で、封止体1の表面1fに達しない高さになるように形成されているように構成したので、半導体素子5と封止体1との界面に発生する熱応力が低減され、半導体素子5の端部付近で発生する剥離やクラックが防止でき、絶縁信頼性の高い半導体装置100を得ることができる。
As described above, according to the
なおかつ、被覆体2は、半導体素子5と回路面6fとを接合する接合材4に接触しないように形成されているので、接合材4は封止体1でしっかりと拘束され、接合信頼性が保たれる。
In addition, since the
被覆体2の高さt2が、回路面6fから封止体1の表面1fまでの高さt1の3/4以下になるように構成したので、モジュール(半導体装置100)の強度が保持され、封止体1に割れが発生することもない。
Since the height t2 of the
半導体素子5と被覆体2との間隔Dが、半導体素子5の辺の長さLの0.2倍以下になるように設定されているので、被覆体2が、半導体素子5にかかる熱応力を緩和する緩衝材としての機能を確実に発揮することができる。
Since the distance D between the
また、被覆体2が、エポキシ樹脂、シリコーンゲル、シリコーンゴム、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルホン、およびポリフェニレンサルファイドの少なくともいずれかを用いて形成されるので、緩衝材として機能する被覆体2を容易に形成することができる。
The
実施の形態2.
本実施の形態2にかかる半導体装置では、実施の形態1にかかる半導体装置に対して、ヒートスプレッダの代わりに絶縁基板を用いるようにしたものである。図6は、本発明の実施の形態2にかかる半導体装置の構成を説明するための断面模式図である。図中、実施の形態1と同様のものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
In the semiconductor device according to the second embodiment, an insulating substrate is used instead of the heat spreader as compared with the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In the figure, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.
図6に示すように、本実施の形態2にかかる半導体装置100では、実施の形態1のように熱拡散を目的としたヒートスプレッダ6の代わりに、例えばDBC(Direct Bonding Copper)のようなセラミックス基材10bの両面に導電層10a、10cが形成された
絶縁基板10を用いたものである。絶縁基板10の熱伝導率が十分に高く熱抵抗が小さければ、ヒートスプレッダ6を使用しなくてもよい。そして、図6では、2つの半導体素子5が、絶縁基板10の回路面10f側の導電層10aの所定位置に、はんだ等の接合材4を用いて接合されている。そして、実施の形態1と同様の条件で、2つの半導体素子5および接合材4に接することなく内側面が半導体素子5を囲むとともに、外側が導電層10aの端部まで覆う被覆体2を配置し、その上からトランスファモールド成型により封止体1を形成している。
As shown in FIG. 6, in the
また、本実施の形態2においては、リードフレーム3は、半導体素子5や導電層10aに直接接合されておらず、ボンディングワイヤ9を介して電気接続するようにしている。そして、例えば、ボンディングワイヤ9のうち、半導体素子5間を接続するものは、その間にある被覆体2をまたぐように配線している。
In the second embodiment, the
本実施の形態2においても、実施の形態1と同様の効果が得られ、信頼性の高い半導体装置100が得られる。また、絶縁基板10はヒートスプレッダ6のような金属基板に比べて線膨張係数αが小さいため、モジュール全体の反りが大きくなる傾向にあるが、本実施の形態では、被覆体2が反りを吸収するため、反りの抑制が可能である。
Also in the second embodiment, the same effect as in the first embodiment is obtained, and the highly
以上のように、本実施の形態2にかかる半導体装置100によれば、回路基板が、セラミックス基材10bの少なくとも一方の面に導電層10aが形成された絶縁基板10であっても、実施の形態1と同様に、半導体素子5と封止体1との界面に発生する熱応力が低減され、半導体素子5の端部付近で発生する剥離やクラックが防止でき、絶縁信頼性の高い半導体装置100を得ることができる。
As described above, according to the
実施の形態3.
上記実施の形態1あるいは2では、トランスファモールド成型のように成形金型による成形で封止体を形成し、封止体が半導体装置の筐体を兼ねるように構成していた。しかし、本実施の形態3にかかる半導体装置では、筐体となるケースを別途製造し、ケース内にポッティングにより封止体を形成するようにしたものである。図7は、本発明の実施の形態3にかかる半導体装置の構成を説明するための断面模式図である。図中、実施の形態1または2と同様のものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
In the first or second embodiment, the sealing body is formed by molding using a molding die such as transfer molding, and the sealing body also serves as the housing of the semiconductor device. However, in the semiconductor device according to the third embodiment, a case serving as a housing is separately manufactured, and a sealing body is formed in the case by potting. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. In the figure, the same components as those in the first or second embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図7に示すように、本実施の形態3にかかる半導体装置100では、例えば、ポリフェニレンサルファイド(PPS:Poly Phenylene Sulfide)を用いたケース12を半導体装置100の筐体に用いている。ケース12は難燃性の樹脂であればPPS以外のものでも、フィラー強化やアロイ強化されていてもよい。ケース12内に収めた金属製の放熱板13の上部に、実施の形態2で説明した絶縁基板10と半導体素子5を実装後、被覆体2を配置し、封止体1でポッティングを行い封止した。その後、150℃で3時間キュアを行い作製した。封止体1には、例えばエポキシ樹脂を用いることができ、シリカやアルミナなどの無機フィラーが含有していても良い。
As shown in FIG. 7, in the
また、本実施の形態3においては、リード端子11は、ケース12に固定されており、半導体素子5や導電層10aとの電気接続は、ボンディングワイヤ9を介して行っている。そして、実施の形態2と同様に、例えば、ボンディングワイヤ9のうち、半導体素子5間を接続するものは、その間にある被覆体2をまたぐように配線している。
In the third embodiment, the
本実施の形態3でも、上記実施の形態1あるいは2で説明したのと同様の条件で被覆体2を配置していれば、同様の効果が得られ、信頼性の高い半導体装置100が得られる。
Also in the third embodiment, if the
以上のように、本実施の形態3にかかる半導体装置100によれば、半導体装置100の外枠となるケース12を備え、封止体1は、樹脂をケース12の中にポッティングすることによって形成されたものであっても、上記実施の形態1あるいは2と同様に、半導体素子5と封止体1との界面に発生する熱応力が低減され、半導体素子5の端部付近で発生する剥離やクラックが防止でき、絶縁信頼性の高い半導体装置100を得ることができる。
As described above, according to the
なお、上記実施の形態1〜3においては、半導体素子5にワイドバンドギャップ半導体材料であるSiCを適用することを想定しているが、一般的に用いられているシリコンを使用してもよいことは言うまでもない。しかし、バンドギャップが大きい、いわゆるワイドギャップ半導体を形成できる炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンド又は酸化ガリウム系材料を用いた時の方が、高耐電圧、耐高温動作を要求されるため、本発明の効果が顕著に顕れる。つまり、本発明による効果を発揮することで、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かすことができるようになる。
In the first to third embodiments, it is assumed that SiC, which is a wide band gap semiconductor material, is applied to the
1:封止体、 1f:封止体表面、 2:被覆体、 2s:内側面、 3:リードフレーム(配線部材)、 4:接合材、 5:半導体素子、 6:ヒートスプレッダ(回路基板)、 6f:回路面、 7:絶縁シート(絶縁層)、 8:金属箔、 9:ボンディングワイヤ(配線部材)、 10:絶縁基板(回路基板)、 10a,10c:導電層、 10b:セラミックス基材(絶縁層)、 10f:回路面、 11:リード端子、 12:ケース、 13:放熱板、 100:半導体装置、
D:被覆体(の内側面)と半導体素子(の側面)との間隔、 t1:回路面上の封止体の本来の厚み(回路面からの高さ)、 t2:被覆体の厚み(回路面からの高さ)、 L:半導体素子の辺の長さ。
1: Sealed body, 1f: Sealed body surface, 2: Covered body, 2s: Inner side surface, 3: Lead frame (wiring member), 4: Bonding material, 5: Semiconductor element, 6: Heat spreader (circuit board), 6f: circuit surface, 7: insulating sheet (insulating layer), 8: metal foil, 9: bonding wire (wiring member), 10: insulating substrate (circuit board), 10a, 10c: conductive layer, 10b: ceramic substrate ( Insulating layer), 10f: circuit surface, 11: lead terminal, 12: case, 13: heat sink, 100: semiconductor device,
D: Distance between cover (inside surface) and semiconductor element (side surface), t1: original thickness of sealing body on circuit surface (height from circuit surface), t2: thickness of cover (circuit) Height from the surface), L: length of the side of the semiconductor element.
Claims (11)
主面に電極が形成され、前記回路基板の回路面に裏面が接合された半導体素子と、
前記電極に接合された配線部材と、
前記半導体素子を取り囲むように、前記回路面を覆う被覆体と、
前記配線部材の前記電極に接合された部分と前記半導体素子および前記被覆体を包むように封止する封止体と、を備え、
前記被覆体は、前記封止体よりも弾性率が低い材料で形成され、かつ、前記回路面の延在方向において、前記半導体素子から間隔をあけるとともに、前記回路面からの高さ方向において、前記半導体素子の主面の高さ以上で、前記封止体の表面に達しない高さになるように形成されていることを特徴とする半導体装置。 A circuit board;
A semiconductor element having an electrode formed on a main surface and a back surface bonded to a circuit surface of the circuit board;
A wiring member joined to the electrode;
A covering covering the circuit surface so as to surround the semiconductor element;
A portion that is joined to the electrode of the wiring member and a sealing body that seals so as to enclose the semiconductor element and the covering,
The covering body is formed of a material having a lower elastic modulus than the sealing body, and is spaced from the semiconductor element in the extending direction of the circuit surface, and in the height direction from the circuit surface, A semiconductor device, wherein the semiconductor device is formed to have a height not less than a height of a main surface of the semiconductor element and not reaching a surface of the sealing body.
前記封止体は、樹脂を前記ケースの中にポッティングすることによって形成されたものであることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体装置。 A case serving as an outer frame of the semiconductor device;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the sealing body is formed by potting resin into the case.
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